CN112490689B - 一种由人工磁导体结构构建的c波段谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，属于天线技术领域。该谐振器天线为立方体结构，该立方体的六个面为人工磁导体平面；通过设计人工磁导体结构与谐振器天线尺寸，使该天线在所需频段工作；根据微波谐振器原理，通过调整所述立方体结构与尺寸，使该天线内部在不同电磁波频率形成不同类型的电磁场分布，从而工作于相应的模式。所述天线可采用常规的介质板材实现，加工成本低且易于批量生产。所述天线采用探针馈电时内部钻孔加工简单、精度高。所述天线腔体内部可填充其他介质，从而实现不同天线性能，如小型化、宽频化，可设计性高。

Description

一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线。
背景技术
介质谐振器天线(DielectricResonatorAntenna)是由高介电常数介质材料构成的新型天线，具有低损耗和宽频带等特点。与传统贴片天线相比，介质谐振器天线在设计上显得更加灵活，可通过改变其辐射体结构以及馈电结构等方式呈现不同的工作性能。因其良好的工作性能，介质谐振器天线引起人们对其广泛的关注和大量的研究。另一方面，通过在传统天线(如对称振子和单极子天线)上加载谐振腔等结构，也可以实现谐振器天线效果，从而改善天线阻抗匹配或者辐射性能。
目前谐振器天线的研究工作主要集中于提升天线电气性能，如宽频带天线设计、宽频带圆极化天线设计、多频带天线设计以及高增益天线设计等。
目前，利用缝隙、探针等馈电结构激励介质谐振器天线，通过控制馈电端口位置与形式实现宽频带特性以及不同的辐射模式。
现有技术存在以下缺点：
1)不同形状尺寸的三维立体介质谐振器天线需要定制新的模具才能加工，使得生产成本增加。
2)采用探针馈电方式时，需要在介质谐振器天线内部钻孔，加工难度大。
3)介质谐振器天线所采用的介质材料生产成本较高，导致介质谐振器天线产品难以大批量生产。
发明内容
本发明一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，该人工磁导体结构可采用价格便宜的常规印刷电路板实现。基于该人工磁导体可实现微波谐振器结构。该介质谐振器天线的阻抗匹配性能和辐射性能与传统介质谐振器天线相当，而且具有重量轻、低成本、易加工的优点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，该谐振器天线为立方体结构，该立方体的六个面为人工磁导体平面；
通过设计人工磁导体结构与谐振器天线尺寸，使该天线在所需频段工作；
根据微波谐振器原理，通过调整所述立方体结构与尺寸，使该天线内部形成不同类型的电磁场分布，从而工作于相应的模式。
可选的，所述人工磁导体平面由周期性结构表面实现，该表面通过印刷电路板技术加工实现；
所述印刷电路板由金属贴片阵列和常见介质基板组成；
所述金属贴片阵列由贴片单元以周期性排列的方式实现；
所述贴片采用“车轮”型的环状结构，实现方式为两个半径不一的圆环贴片以各自中心位置相嵌摆放，两圆环之间有八个大小相等的矩形微带线360°围绕组成；
通过调整贴片单元与金属贴片阵列的尺寸使该人工磁导体在所需频段对平面电磁波产生同相反射效果。
可选的，采用六个人工磁导体平面组合三维立方体的谐振器天线，周期性的人工磁导体贴片单元结构在谐振器腔体内部，谐振腔体外部不需要加金属地。
可选的，所述谐振器天线采用缝隙耦合馈电方式；
所述缝隙耦合馈电方式结构为“缝隙金属地板-介质基板-微带馈电线”；
其中金属地板的缝隙结构为圆形缝隙和矩形缝隙的结合，所述矩形缝隙在圆形缝隙圆心附近水平放置，微带馈电线为“十”字结构；通过控制两个缝隙之间的位置、大小以及“十”字型微带馈电线的长度，激励出谐振器中所期望的工作模式，并改善天线的阻抗匹配性能和匹配带宽。
可选的，所述谐振器天线采用同轴探针馈电方式，实现方式为，探针从谐振器底部中间位置穿孔进入腔体内部，外部与金属地板连接；通过控制探针在腔体内部的高度而激励出不同谐振模式，实现天线的宽频化。
可选的，所述谐振器天线的内部空腔中能够填充介质，从而实现天线的小型化。
可选的，所述谐振器天线能够由多个立方体叠加组合而成，该多个立方体表面必须为人工磁导体；分层叠加的谐振器天线实现宽频化设计；
所述谐振器天线能够加载在单极子天线或对称振子上，从而实现天线的宽频化。
可选的，所述周期性排列的方式为矩形阵列。
本发明的有益效果在于：本发明采用缝隙耦合馈电和同轴探针馈电，使得新型谐振器天线可工作于4.47GHz-5.33GHz和5.78GHz-7.62GHz，具有宽频带特性，适用于无线通信C波段。该天线可由普通的印刷电路板组成，具有成本低、易加工的工艺特点。
与现有介质谐振器天线技术相比，本发明具有以下优点：
1)采用常规的介质板材实现，加工成本低且易于批量生产。
2)探针馈电时内部钻孔加工简单、精度高。
3)腔体内部可填充其他介质，从而实现不同天线性能，如小型化、宽频化，可设计性高。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为人工磁导体单元结构俯视图；
图2为人工磁导体4×4阵列俯视图；
图3为基于人工磁导体结构的立方体谐振器天线；
图4为采用缝隙耦合馈电方式的人工磁导体结构谐振器天线；
图5为缝隙耦合馈电方式的局部参数图；
图6为采用同轴探针馈电方式的人工磁导体结构的谐振器天线；
图7为人工磁导体结构AMC的反射相位特性；
图8为采用缝隙耦合馈电方式的天线S参数图；
图9为采用同轴探针馈电方式的天线S参数图；
图10为采用缝隙耦合馈电方式，天线不同频点的方向图(Phi＝0°)；
图11为采用同轴探针馈电方式，天线不同频点的方向图(Phi＝0°)；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
传统矩形介质谐振器天线处于辐射工作模式时，其表面等效为理想磁导体。基于此原理，本发明采用了人工磁导体结构作为谐振器天线的表面，构建了一种新型谐振器天线。
当矩形介质谐振器天线的尺寸和材质给定后，通过求解其对应边界条件下的麦克斯韦方程组，可以得到多组本征值和本征函数。由本征值可以得到介质谐振器的谐振频率，而本征函数可以得到介质谐振器谐振模式的分布。因此通过改变天线的尺寸，可以得到对应的天线谐振频率和谐振模式。
介质谐振器内可以存在多个谐振模式，每个谐振模式都对应着不同的谐振频率。可通过适当的馈电结构同时激励出介质谐振器天线的主模和高阶模实现介质谐振器天线宽频化。
人工磁导体结构是一种人工电磁材料。其常见结构表现为在介质基板上周期排列的金属贴片阵列。在特定的电磁波频段，人工磁导体具有与理想磁导体相同的特性，即对入射的平面波同相位反射。一般情况下，当人工磁导体表面平面反射波与平面入射波的相位差在-90°到+90°之间时，可其视为与理想磁导体具有相同性质。
基于上述原理，本发明设计出一种基于人工磁导体结构的新型谐振器天线：
该谐振器天线为立方体结构，该立方体的六个面为人工磁导体平面。通过设计人工磁导体结构与谐振器天线尺寸，可以使该天线在所需频段工作。
根据微波谐振器原理，可以通过调整所述立方体结构与尺寸，使该天线内部形成不同类型的电磁场分布，从而工作于不同模式。
所述人工磁导体平面由周期性结构表面实现，该表面可以通过印刷电路板技术加工实现。该印刷电路板由金属贴片阵列和常见介质基板组成。所述金属贴片阵列由贴片单元以周期性排列的方式实现，常见的排列方式为矩形阵列。该贴片采用“车轮”型的环状结构，实现方式为两个半径不一的圆环贴片以各自中心位置相嵌摆放，两圆环之间有八个大小相等的矩形微带线360°围绕组成。通过调整贴片单元与金属贴片阵列的尺寸可以使该人工磁导体在所需频段对平面电磁波产生同相反射效果。
采用六个人工磁导体平面组合三维立方体的谐振器天线，周期性的人工磁导体贴片单元结构在谐振器腔体内部，谐振腔体外部不需要加金属地。
所述谐振器天线可采用缝隙耦合馈电方式。所述缝隙耦合馈电方式结构为“缝隙金属地板-介质基板-微带馈电线”。其中金属地板的缝隙结构为圆形缝隙和矩形缝隙的结合，所述矩形缝隙在圆形缝隙圆心附近水平放置，微带馈电线为“十”字结构。通过控制两个缝隙之间的位置、大小以及“十”字型微带馈电线的长度，激励出谐振器中所期望的工作模式，并改善天线的阻抗匹配性能和匹配带宽。
所述谐振器天线可采用同轴探针馈电方式，其实现方式为，探针从谐振器底部中间位置穿孔进入腔体内部，外部与金属地板连接。通过控制探针在腔体内部的高度而激励出不同谐振模式，实现天线的宽频化。
该谐振器天线内部空腔中可以填充其他介电常数较高的介质，从而实现天线的小型化。
该谐振器天线可以由多个立方体叠加组合而成，该多个立方体表面必须为人工磁导体。分层叠加的谐振器天线可实现宽频化设计。
该谐振器天线可加载在传统天线上(如单极子天线和对称振子)，从而实现天线的宽频化。
1.结构组成(构成成分、零部件)
图1所示是本方案中所设计的人工磁导体单元结构，表现为环状“车轮”形式，具体结构是一个半径为1.7mm,宽度为0.4mm的圆环贴片和一个半径为2.5mm，宽度为0.4mm的圆环以同心环的形式相嵌摆放，同时在两个圆环贴片之间有八个大小相等的矩形微带线，以45°角度环绕一圈连接。所用印刷电路板的材质为“FR4_epoxy”，厚度为3mm。
图2所示是图1中所述人工磁导体结构的4×4阵列俯视图，每个单元间的间距为0.42mm。
图3为采用六个人工磁导体平面组成三维立方体谐振腔，贴片单元结构在谐振器腔体内部，腔体外部不需要加金属地，腔体内部尺寸为25.9×25.9×25.9mm3,外部尺寸为31.9×31.9×31.9mm3。
实施例1
本实施例中采用缝隙耦合馈电方式激励上述谐振器天线，如图4所示。图5所示为该谐振器天线的馈电结构。金属地板的材质由铜皮构成，尺寸为50×50mm2，介质基板材质是“Rogers RT/duroid 5880(tm)”，厚度为1mm。缝隙结构为圆形槽和矩形槽的组合形式，圆形槽的直径为8mm，矩形槽在距离该圆形槽圆心3mm处的位置水平放置，长度为17mm。“十”字结构的微带馈电线，其线宽为2mm，两个矩形贴片的长度分别为15mm和25mm。将谐振器天线水平放置在该馈电板上，能量从缝隙结构中耦合到腔体内部，在腔体内部振荡激励出不同工作模式，最后向外辐射到自由空间中。
实施例2
本实施例中采用同轴探针馈电方式激励上述谐振器天线，如图6所示。金属探针从谐振器底部中间位置钻孔插入，其中金属探针的高度为20mm，直径为1.2mm，金属地板的尺寸为53×53mm2。能量由探针直接耦合到腔体内部，使谐振器天线激励出不同工作模式。
2.各部分之间的连接关系以及功能作用
人工磁导体结构的谐振器天线是基于介质谐振器天线辐射时，腔体表面可等效为理想磁导体，而采用一种人工设置的具有正负90°同相反射特性的电磁材料来构建的一种新型谐振器天线。该人工磁导体结构的同相位反射特性如图7所示。该谐振器天线在功能上具有介质谐振器天线一样的阻抗匹配特性和辐射特性。
实施例1缝隙耦合馈电方式中，缝隙槽的样式、位置和大小以及馈电线的长度会影响谐振器天线的阻抗匹配性能和带宽。
实施例2同轴探针馈电方式中，探针的高度会影响谐振器天线的阻抗匹配性能。
3.各部分或某一部分可达到相同目的的其他替换方案
该天线也可采用微带线馈电方式和共面波导馈电方式。同轴探针馈电也可将探针焊接在谐振器天线外部，紧贴其表面。
4.实现效果
实施例1中采用缝隙耦合的馈电方式，新型人工磁导体谐振器天线的-10dB工作频段为4.47GHz-5.33GHz，有效带宽为860MHz，相对带宽达到17.6％，方向图为轴向辐射模式。结果表明该新型谐振器天线具有良好的匹配带宽和稳定的辐射效果，详细结果见图8、图10。
实施例2中采用同轴探针的馈电方式，新型人工磁导体谐振器天线的-10dB工作频段为5.78GHz-7.62GHz,有效带宽为1.85GHz，相对带宽达到27.6％，方向图为横向辐射模式。结果表明该新型谐振器天线具有良好的匹配带宽和稳定的辐射效果，详细结果见图9、图11。
所述谐振器天线在功能上具备介质谐振器天线一样的阻抗匹配特性和辐射特性，且能克服现有技术中的不足，工艺制作上比传统介质谐振器天线生产成本低且易于批量生产，具有不错的实用性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，其特征在于：该谐振器天线为立方体结构，该立方体的六个面为人工磁导体平面；
通过设计人工磁导体结构与谐振器天线尺寸，使该天线在所需频段工作；
通过调整所述立方体结构与尺寸，使该天线内部形成不同类型的电磁场分布，从而工作于相应的模式；
所述人工磁导体平面由周期性结构表面实现，该表面通过印刷电路板技术加工实现；
所述印刷电路板由金属贴片阵列和介质基板组成；
所述金属贴片阵列由贴片单元以周期性排列的方式实现；
所述贴片采用“车轮”型的环状结构，实现方式为两个半径不一的圆环贴片以各自中心位置相嵌摆放，两圆环之间有八个大小相等的矩形微带线360°围绕组成；
通过调整贴片单元与金属贴片阵列的尺寸使该人工磁导体在所需频段对平面电磁波产生同相反射效果；
采用六个人工磁导体平面组合三维立方体的谐振器天线，周期性的人工磁导体贴片单元结构在谐振器腔体内部，谐振腔体外部不需要加金属地。
2.根据权利要求1所述的一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，其特征在于：所述谐振器天线采用缝隙耦合馈电方式；
所述缝隙耦合馈电方式结构为“缝隙金属地板-介质基板-微带馈电线”；
其中金属地板的缝隙结构为圆形缝隙和矩形缝隙的结合，所述矩形缝隙在圆形缝隙圆心附近水平放置，微带馈电线为“十”字结构；通过控制两个缝隙之间的位置、大小以及“十”字型微带馈电线的长度，激励出谐振器中所期望的工作模式，并改善天线的阻抗匹配性能和匹配带宽。
3.根据权利要求1所述的一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，其特征在于：所述谐振器天线采用同轴探针馈电方式，实现方式为，探针从谐振器底部中间位置穿孔进入腔体内部，外部与金属地板连接；通过控制探针在腔体内部的高度而激励出不同谐振模式，实现天线的宽频化。
4.根据权利要求1所述的一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，其特征在于：所述谐振器天线的内部空腔中能够填充介质，从而实现天线的小型化。
5.根据权利要求1所述的一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，其特征在于：所述谐振器天线由多个立方体叠加组合而成，该多个立方体表面为人工磁导体；分层叠加的谐振器天线实现宽频化设计；
所述谐振器天线能够加载在单极子天线或对称振子上，从而实现天线的宽频化。
6.根据权利要求1所述的一种由人工磁导体结构构建的C波段谐振器天线，其特征在于：所述周期性排列的方式为矩形阵列。
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